非相干多普勒测风激光雷达鉴频算法刘延文;孙学金;张传亮;李绍辉【摘要】风场对大气的运动状态和运动趋势具有很强的代表性,所以风场的测量精度对数值天气预报和气候研究都至关重要.激光雷达具有很高的时空分辨率,在近几十年发展迅速,在对地观测中的作用越来越大,尤其在大气风场的探测中得到了很大的应用.本文从探测原理、分类和技术等方面分别对多普勒测风激光雷达进行了介绍,并着重总结了非相干多普勒测风激光雷达的多普勒频移算法,可以为我国星载激光雷达的研究提供参考.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2018(048)010【总页数】10页(P1204-1213)【关键词】风;激光雷达;多普勒频移;边缘技术;条纹成像技术【作者】刘延文;孙学金;张传亮;李绍辉【作者单位】国防科技大学气象海洋学院,江苏南京211101;国防科技大学气象海洋学院,江苏南京211101;国防科技大学气象海洋学院,江苏南京211101;国防科技大学气象海洋学院,江苏南京211101【正文语种】中文【中图分类】TN958.98;X8311 引言风对于大气能量循环、污染物扩散、水汽和气溶胶粒子的输送都有重要的影响,更是大气环流的根本动力,是数值天气预报和气候研究中最迫切需要的数据,并且局地风场在飞机起飞与着陆、火箭发射及军事等方面具具有重要的意义[1-4],但在当前全球观测系统中,对风的观测并不充分,和气压、温度、湿度等大气基本变量相比,风的观测较为薄弱[5]。
当今世界气象组织主要通过无线电探空网、机载仪器和气象雷达来对风场进行探测,但无线电探空网分布不均匀,在南半球和洋面上观测数据有限[6],边界层以上的风速可以根据地转理论和气压测量值计算得到[8],但该方法只适用于中高纬地区,所以需要直接探测资料来对大气流动有更准确的认识。
激光雷达作为近几十年来快速发展的探测仪器,被用于温度[8-9]、气溶胶浓度和光学厚度[10]的测量,对风场的测量也有时空分辨率和探测精度高、探测范围大、响应速度快的优点,星载激光雷达更是可以获得高精度的全球风场。
多普勒测风激光雷达通过测量随风场运动的分子和气溶胶粒子对激光造成的多普勒频移来实现风场的测量,分子和气溶胶的后向散射光被激光雷达接收,通过干涉仪后光子被电荷耦合器(CCD)接收,利用CCD上光子的累积和分布计算得到多普勒频移,利用多普勒频移就可以得到风速,所以多普勒频移的计算精度决定了风速测量精度。
对于边缘技术和条纹成像技术,都有多种多普勒频移的检测算法,尤其对于条纹成像技术而言,不同算法的计算精度、计算速度和计算稳定性都不同,所以需要根据不同的要求选择不同的算法计算多普勒频移。
本文总结了非相干测风激光雷达的不同算法,介绍个各种算法的适用性,比较了不同算法的精度和误差。
2 多普勒测风激光雷达的探测原理多普勒测风激光雷达发射激光脉冲并接收大气后向散射信号,大气分子和气溶胶粒子随风场运动会与激光产生多普勒效应,从而改变散射回波的频率,通过测量和计算得到多普勒频移,就可以计算出径向风速,其表达式为:vd=2vLOS/λ(1)式中,vd为多普勒频移;vLOS为径向风速;λ为波长。
从式(1)可以看出,多普勒频移与目标物的运动速度及激光雷达的工作波长有关,当激光雷达的载荷确定后,多普勒频移只与目标(分子或气溶胶)的运动速度有关。
根据径向风速和激光的天顶角(地基)或天底角(空基和天基)便可计算出水平径向风速,其表达式为:vHLOS=vLOS/sinθ(2)其中,vHLOS为水平径向速度;θ为天顶角或天底角。
3 激光雷达的鉴频方法按照鉴频方式不同,测风激光雷达可以分为非相干激光雷达[11-13]和相干激光雷达[14-15]。
相干技术首先利用光电二极管将光信号转化为电信号[16],然后出射信号与回波信号混频,拍频信号的频率就是回波信号的多普勒频移,主要用于大气中低层Mie散射回波信号的频移测量[17]；非相干技术利用光学鉴频器将频移转化为功率、强度或功率空间分布变化,通过测量功率、强度或功率空间分布的变化来反演风速[18],探测范围可到大气中高层。
相干雷达的探测灵敏度、探测精度及信噪比高[19],噪声功率小,对太阳背景光不敏感[20],但对光学准直性要求高,接收视场角的失配会严重影响激光雷达的性能,对于短波长的多普勒激光雷达校准要求更为严格,且无法准确探测Rayleigh散射信号。
非相干探测对光学系统和激光性能的要求相对较低,系统结构简单,技术成熟且容易实现,采用多脉冲累积可以提高信噪比和探测精度,减小激光散斑的影响,对Rayleigh散射和Mie散射信号都可以进行探测,利用短波长的激光可以提高Rayleigh散射强度,在气溶胶浓度为零的情况下也可以工作[21]。
非相干探测包括边缘技术和条纹成像技术。
边缘技术是利用滤波器将后向散射回波信号的频移转化为能量变化,通过测量能量变化计算多普勒频移；条纹技术则是利用不同波长的光透过干涉仪后干涉条纹位置不同的原理来实现多普勒频移的测量,可采用的干涉仪有F-P标准具和Fizeau干涉仪等。
F-P标准具的干涉条纹呈环状,且条纹的粗细和间隔不一致,风速与条纹半径变化为非线性关系[22],需要阵列式探测器动态追踪条纹变化,和线形像素探测器CCD不匹配,不利于测量[23-24],利用环状阴极倍增管可以解决此问题,但其量子效率较低[25],另一种解决方法是将环形条纹转变为线条纹,再用CCD探测[26]。
Fizeau干涉仪的干涉条纹呈线形,可以直接通过CCD检测条纹重心的变化来实现多普勒频移的测量[23],这种鉴频系统光路简单,系统效率高,干涉仪口径要求低[27]。
条纹技术一般用于测量Mie散射信号,而边缘技术对Rayleigh散射信号和Mie散射信号都可以测量,在敏感性上两种方法并没有显著的不同[21],风速测量精度十分接近[28]。
3.1 边缘技术边缘技术可利用F-P标准具、M-Z干涉仪[29-31]、Michelson干涉仪、光栅、各种原子和分子滤波器[32],如钠、钾、碘[33]、银蒸汽滤波器等,探测灵敏度依赖于分子与气溶胶的后向散射率及风速大小,F-P标准具是非相干探测的主要鉴频器[34-37],其透过率曲线具有陡峭的边缘,入射光频率变化会使透射光的的强度发生明显变化。
3.1.1 单边缘技术由于标准具透过率曲线半宽点对应频率处的斜率最大,所以出射激光的频率υE锁定在此处,微小的频移将使标准具的透过率发生明显变化。
由于布朗运动,Rayleigh散射和Mie散射光谱的谱宽有很大差别,但都可用高斯函数来表示:(3)式中,σx为散射信号光谱的标准差,下标“x”表示不同散射类型,“R”表示Rayleigh散射,“M”表示Mie散射。
分子散射光谱的标准差σR=(8kT/mλ2)1/2；Mie散射谱线宽度表示为σM=συ0/(8ln2)1/2,συ0为发射激光的谱宽。
通过标准具的光是入射光光谱和标准具透过率曲线h(v)的卷积,表示为:T(υ)=fx(υ)*h(υ)(4)其中,“*”表示卷积,所以透过干涉仪的能量为:I(υ)=I0·T(υ)(5)其中,I0为入射光的光强。
标准具的频率灵敏度的定义为:单位频率变化造成透过率的相对变化,表达式为:(6)根据多普勒频移和速度之间的关系:υd=2v/λ,标准具的速度灵敏度(单位速度变化引起标准具透过率的相对变化)表达式为:(7)则径向速度为:(8)式中,II′为回波信号的强度;II为回波信号通过标准具后的强度;IE′为发射激光的光强;IE为出射激光透过标准具的强度。
3.1.2 双边缘技术双边缘技术是单边缘技术的改进,其测量灵敏度和精度比单边缘技术都要高[37]。
标准具中心以一定间隔分开,得到两个分辨率、精度、频谱分布相同,但峰值透过率对应频率不相同的两个通道,出射激光频率锁定在两个透射率曲线的交叉位置,回波信号通过标准具两个通道的能量随频率变化,利用两个通道上接收到的能量,便可以计算出回波信号的频移,其测量原理如图1所示。
图1 基于F-P标准具的Rayleigh散射多普勒测量原理及CCD成像Fig.1 Rayleigh scattering doppler measurement principle based on F-P interferometer and CCD imaging双边缘技术包括连续双通道技术和离散双通道技术,两种技术原理相同,只是回波信号在探测器内的路径不同,离散双通道技术是利用分光片将回波信号平均分为两束[38],然后分别通过标准具的两个通道,当风速为零时,两个通道上接收到的能量相等,当径向风速不为零时,回波信号频率改变,透过两个通道的的能量不相等,利用两个标准具透过的能量便可计算出频移,其离散双边缘透过率如图2所示。
图2 离散双边缘透过率Fig.2 Discrete double-edge transmittance连续双通道技术不再将大回波信号分离,而是直接进入一个通道,该通道的反射信号进入另一个通道,如图3所示,假设通道A和通道B的透过率都为10%,回波信号首先进入通道A,10%的光子透过通道A,90%的光子被反射进入通道B,则通过通道B 的光子数仅占总光字数的9%(90%×10%),虽然两通道的透过率的相同,但由于进入通道B的信号是通道A上的反射信号,所以风速为零时,透过两通道的能量也不相等,但较传统离散双F-P标准具的效率更高[39-40]。
图3 连续双边缘F-P标准具示意图及双边缘透过率Fig.3 Schematic of continuous double-edge F-P interferometer and double-edge transmittanceChanin依托于双边缘的高敏感性提出了多普勒频率响应函数R[34,41],响应函数R 是多普勒频移的单值函数,从而可以利用响应函数求得多普勒频移,在风速为-100～100 m/s范围内,响应函数为一条直线,表达式为:(9)其中,NA和NB分别表示回波信号通过标准具两个通道的光子数,可表示为:(10)通过F-P标准具后光子探测器接收到的光子数由F-P标准具的透过率决定的,所以响应函数可以表示为:(11)其中,TA和TB分别表示F-P标准具两个通道的透过率。
响应函数廓线反映了各高度回波信号频率的变化,利用系统标定函数与大气温度廓线,可以计算出不同高度的多普勒频移[42]。
Korb自1992年以来一直致力于边缘技术研究,并和Flesia提出了另一种响应函数的表达式[43-46]:(12)根据相同的原理,响应函数还可以表示为:R3=T1-T2(13)(14)除了Korb提出的多普勒频率响应函数之外,其他响应函数在正常风速所产生的多普勒频率范围内,敏感性都较高,但响应函数R1和R4在风速较大时略高,但是并不明显,所以在应用中需要根据实际需求选择不同的响应函数。